不同輕骨料混凝土高溫后劣化性能探討范文

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摘要：為改善輕骨料混凝土高溫后的劣化性能以及抗爆裂性能，將玄武巖、聚丙烯纖維以單摻和混摻的形式摻入到輕骨料混凝土基體中進行試驗。結(jié)果表明，聚丙烯纖維有利于輕骨料混凝土的高溫抗爆裂性能，而玄武巖纖維僅可推遲而不能阻止其高溫爆裂。隨著溫度升高，不同輕骨料混凝土的色澤和表觀變化規(guī)律大致相同；其立方體抗壓強度在200℃以內(nèi)略有升高，但隨后一直下降；而軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量則呈直線下降趨勢，但是摻入纖維后其殘余力學(xué)性能指標(biāo)均大于素全輕混凝土；高溫后，應(yīng)力－應(yīng)變曲線上的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變明顯下降右移，這些特征變化反映了隨著溫度的增高，混凝土內(nèi)部損傷加大及逐漸劣化。

關(guān)鍵詞：輕骨料混凝土；高溫；劣化性能；應(yīng)力－應(yīng)變曲線

目前，針對普通混凝土各方面性能的研究已經(jīng)有詳盡的試驗和理論分析［1－3］，但關(guān)于輕骨料混凝土高溫后劣化性能的變化規(guī)律仍需要進一步完善和研究［4－6］。隨著對輕骨料混凝土研究和應(yīng)用的推廣以及建筑物出現(xiàn)火災(zāi)的頻率增加，對其延性、防火性能等提出了更高的要求。在輕骨料混凝土中加入纖維，利用纖維的特性和增強、增韌機理可有效地改善輕骨料混凝土的延性和高溫性能［7］。由于各種纖維的特性不同，摻入單一纖維只能改善某一方面的性能，如聚丙烯纖維在降低蒸汽壓、抑制爆裂等方面已形成共識［8］。玄武巖纖維具有耐高溫和低溫?zé)岱€(wěn)定性（可在－269～650℃連續(xù)工作），還具有高彈模、性價比高且與混凝土具有天然的相容性［9］，因此玄武巖纖維混凝土具有優(yōu)越的力學(xué)性能、耐溫性、防滲抗裂性和沖擊韌性［10－11］。為了提高輕骨料混凝土的綜合性能，通過添加混雜纖維讓不同纖維混雜產(chǎn)生性能互補，配制出高性能的輕骨料混凝土。本文以LC30為例，將玄武巖、聚丙烯纖維以單摻和混摻的形式摻入全輕混凝土基體中，通過對最優(yōu)摻量的全輕纖維混凝土經(jīng)歷目標(biāo)高溫后（20℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃）力學(xué)性能進行研究，并與素全輕混凝土進行對比，進一步了解高溫后纖維混凝土的力學(xué)性能變化情況，豐富纖維混凝土抗火方面的研究內(nèi)容，以期為全輕混凝土在結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計及災(zāi)后評估方面提供理論依據(jù)與實驗基礎(chǔ)，促進纖維混凝土在土木工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1試驗概況

1．1原材料水泥為焦作堅固牌P•O42．5級普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為焦作電廠Ⅱ級粉煤灰；頁巖陶粒（以下簡稱陶粒）和頁巖陶砂（以下簡稱陶砂）均為洛陽正全實業(yè)有限公司生產(chǎn)，前者最大粒徑為15mm，堆積密度755kg／m3，筒壓強度3．6MPa；后者堆積密度806kg／m3，細度模數(shù)Mx為3．2［12］；減水劑為萘系高效復(fù)合減水劑，摻量為膠凝材料總量的0．45％；水為自來水。

1．2配合比設(shè)計根據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》（JGJ51－2002）中的松散體積法，初步確定LC30配合比的基本范圍，然后通過正交試驗的方法確定配合比，如表2所示。其中，坍落度為195～230mm。

1．3試驗方案混凝土試件的規(guī)格尺寸為100mm×100mm×100mm和100mm×100mm×300mm兩種，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護28d，取出后放在室內(nèi)風(fēng)干一個月后進行高溫試驗，試驗前應(yīng)記錄高溫前試塊的質(zhì)量。試驗采用北京德志融泰環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的TDL－1400F箱式高溫爐，先計算達到設(shè)計溫度的時間t＝（目標(biāo)溫度－爐內(nèi)溫度）／升溫速率，升溫速率為15℃／min，爐內(nèi)溫度為打開爐門時高溫設(shè)備下面顯示的溫度（注：爐內(nèi)溫度并不是一個固定的溫度），然后將試塊置于高溫爐內(nèi)加熱，為保證受熱均勻，一般試塊只放一排，且試塊與試塊之間留有空隙，爐膛溫度可自動控制，一旦達到設(shè)計溫度后并自動轉(zhuǎn)化為恒溫，為了保證試塊內(nèi)外溫度一致，設(shè)定恒溫時間為6h。最后，切斷電源讓試塊自然冷卻到常溫后稱量并記錄輕骨料混凝土試塊在高溫后的質(zhì)量，試驗過程中注意觀察試件顏色變化、裂紋發(fā)展等現(xiàn)象并做好記錄，然后對試塊做相應(yīng)的試驗，從而得到不同輕骨料混凝土在高溫作用后的劣化性能。

2試驗結(jié)果及分析

2．1試驗宏觀現(xiàn)象高溫后，輕骨料混凝土受壓破壞形態(tài)與常溫不同，常溫下破壞的全過程經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段、內(nèi)部微裂縫局部貫通、外部可見裂縫出現(xiàn)發(fā)展成主裂縫直至最后靠骨料間咬合作用維持殘余強度等幾個階段。但是高溫后，破壞形態(tài)將由常溫下正倒相接的四角錐體破壞形態(tài)逐漸向整體壓碎破壞形態(tài)過渡，在試塊的加載過程中，溫度越高，剝落碎塊變小變多，加入纖維的輕骨料混凝土破壞形態(tài)不盡相同。由于PPF在170℃左右熔化消失，所以PPFRC試塊的破壞形態(tài)與ALWC基本相似，BF在混凝土基體中呈三維亂向均勻分布，形成多向約束體系，起到了“二次微加筋”作用，減輕了混凝土內(nèi)部微缺陷的引發(fā)和擴展，所以BFRC和HFRC試塊的破壞形態(tài)要好于ALWC。

2．2質(zhì)量損失率混凝土在高溫條件下，其膠結(jié)材料－水泥石會產(chǎn)生一系列的物理、化學(xué)變化，內(nèi)部水分氣化，水化產(chǎn)物分解，質(zhì)量發(fā)生變化。輕骨料混凝土在不同目標(biāo)高溫后質(zhì)量損失率如表3所示，其中常溫時ALWC、PPFRC、BFRC、HFRC的干表觀密度分別為1570kg／m3、1630kg／m3、1655kg／m3、1570kg／m3。

2．3抗壓強度損失混凝土經(jīng)歷高溫后，其殘余力學(xué)性能可以準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)高溫后的承載能力，而其強度損失采用折減系數(shù)去表征，即α＝fcuT／fcu，β＝fcT／fc，γ＝fstT／fst，δ＝ET／E，本試驗條件下，測得不同輕骨料混凝土試塊在經(jīng)歷不同溫度后的極限抗壓強度值和棱柱體軸心抗壓強度。

2．4劈拉強度損失與彈性模量損失本試驗條件下，測得不同輕骨料混凝土試塊在經(jīng)歷不同溫度后的劈裂抗拉強度值，如表6所示。溫度對殘余劈裂抗拉強度的影響如圖2所示。彈性模量是通過應(yīng)力－應(yīng)變曲線上σ＝0．4fc時的割線模量，作為近似初始彈性模量。

2．5應(yīng)力－應(yīng)變曲線損失不同輕骨料混凝土高溫后的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖4所示。由于輕骨料混凝土在高溫環(huán)境下相對普通混凝土來說脆性較大，故很難測得應(yīng)力－應(yīng)變曲線的下降段，而摻入纖維可以顯著提高輕骨料混凝土抗拉強度、韌性、延性等，故可以測得高溫后BFRC和HFRC的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€，且高溫后混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線與常溫下應(yīng)力－應(yīng)變基本相似。PPFRC應(yīng)力－應(yīng)變曲線相較于ALWC而言其峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變較高，且在400℃之后，強度下降比較明顯，脆性增大，因而也無法測得其應(yīng)力－應(yīng)變下降段。

3纖維對輕骨料混凝土的抗爆機理討論

高溫爆裂現(xiàn)象是指在經(jīng)歷高溫作用時因其內(nèi)部損傷達到最大時而進行能量釋放的一種表現(xiàn)。其特征是混凝土以動態(tài)方式從其表面剝落，并分解成大量碎塊，尤其在快速升溫過程中，更易發(fā)生爆裂現(xiàn)象，并具有突發(fā)性和破壞性，且難以預(yù)見［20］。雖然目前對混凝土高溫爆裂機理研究較多，但普遍認同的爆裂機理分別是蒸汽壓原理和熱應(yīng)力原理［21－23］。本試驗中ALWC在450℃左右發(fā)生爆裂，BFRC在700℃時試塊全部爆裂，PPFRC和HFRC直至800℃時仍未爆裂，說明PPF有利于輕骨料混凝土高溫抗爆裂作用，而BF對輕骨料混凝土高溫抗爆裂有一定的緩和作用，但不能有效改善輕骨料混凝土高溫抗爆裂性能。當(dāng)摻入PPF后，當(dāng)溫度達到PPF的熔點（170℃左右）時，PPF揮發(fā)逸出并在混凝土內(nèi)部留下通道，有利于混凝土內(nèi)水蒸氣和熱量的排出，降低了混凝土內(nèi)部蒸汽壓力和溫度梯度，從而降低了爆裂發(fā)生的概率［24］。BF與混凝土有良好的相容性，能夠在混凝土內(nèi)部形成三維系統(tǒng)［25］，可以有效抑制其內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生，同時還可以承托骨料，較少骨料的沉降，提高混凝土的均勻性，從而改善輕骨料混凝土的力學(xué)性能。HFRC在各個溫度作用下均未發(fā)生爆裂現(xiàn)象，且均能保持較高的殘余力學(xué)性能。由此可知，纖維可以減少混凝土內(nèi)部缺陷和原生裂紋，使結(jié)構(gòu)更加致密。在外力作用下，纖維和混凝土材料共同受力，在混凝土產(chǎn)生微裂縫的時候，橫跨裂縫的纖維能夠阻止裂縫的擴展，承受混凝土內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力，延緩混凝土的破壞。每種纖維的特性不同，摻入單一纖維只能改善某一層次的性能，正是由于上述各種單一纖維的增強作用以及混摻纖維的疊加效應(yīng)對輕骨料混凝土起到了增強增韌的作用。從高溫抗爆裂作用來看，并結(jié)合經(jīng)歷各個目標(biāo)高溫后不同輕骨料混凝土殘余力學(xué)性能對比分析可知，混摻纖維可以有效阻止輕骨料混凝土發(fā)生爆裂，較好地保持體積的完整性。

4結(jié)論

通過對LC30不同輕骨料混凝土進行高溫試驗，分析了高溫后混凝土的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量的劣化性能以及應(yīng)力應(yīng)變曲線得到以下結(jié)論：（1）纖維的摻入使輕骨料的破壞形式由脆性破壞變?yōu)檠有云茐摹＝?jīng)受不同目標(biāo)高溫后，輕骨料混凝土的外觀特征發(fā)生了變化，且溫度越高，外觀損傷越嚴重，質(zhì)量損失也越大，且加入纖維的輕骨料混凝土的質(zhì)量損失率較ALWC的要大。（2）ALWC在450℃左右時發(fā)生爆裂，BFRC在700℃左右爆裂，PPFRC和HFRC直至800℃仍未爆裂，說明PPF可以改善輕骨料混凝土的抗爆裂性能，BF對輕骨料混凝土高溫抗爆裂有一定的緩和作用，但仍不能有效改善輕骨料混凝土抗高溫爆裂性能。（3）在200℃以內(nèi)，不同輕骨料混凝土的立方體抗壓強度略有提高，但隨后一直降低，而軸心抗壓強度、劈拉強度、彈性模量則直接呈下降趨勢。但是加入纖維的混凝土降低的幅度較ALWC的低，說明纖維的摻入改善了高溫后輕骨料混凝土的劣化性能。（4）不同輕骨料混凝土都隨著溫度的提高曲線漸趨平緩，峰值應(yīng)力逐漸降低，峰值應(yīng)變增加較為明顯，峰點明顯下降和右移，上升段曲線斜率顯著減小。但是，混摻纖維的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變大于單摻纖維，單摻纖維大于不摻纖維，這也進一步說明了纖維的加入能夠提高輕骨料混凝土的韌性與強度，在常溫下和高溫后都成立。

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作者：田琦1；劉宗輝2；秦文博1 單位：1．河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，2．中建七局安裝工程有限公司